A1. Définitions et vocabulaire

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1 A1. Définitions et vocabulaire Pas d activité humaine ou développement socio-économique sans énergie. Au cours du dernier siècle, la consommation énergétique a été multipliée par 10. Autrefois, les besoins étaient limités à l'alimentation et au chauffage. Aujourd hui, les domaines du bâtiment, de l industrie et des transports sont responsables de l'augmentation brutale des besoins énergétiques. La consommation et les besoins d'énergie dépendent du niveau de vie des populations et sont donc inégalement répartis sur la planète. Dans les prochaines années, on s'attend à une forte augmentation de la consommation dans les pays en développement d'asie. L épuisement des réserves fossiles et fissiles font de l approvisionnement en énergie un défi crucial pour l humanité. A1.a - QU EST-CE QUE L ENERGIE? L ENERGIE est un concept difficile à définir de part son caractère très abstrait. On peut toutefois en donner la définition suivante : L'énergie est, de manière générale, la capacité de faire un travail, entraînant un mouvement ou produisant par exemple de la lumière, de la chaleur ou de l électricité. L énergie est une grandeur physique qui s exprime en JOULE (noté J). Toutefois pour des raisons pratiques d autres unités peuvent être utilisées. Exemple : le wattheure (Wh) ou KILOWHATTHEURE (kwh). Un Wh correspond à l'énergie consommée pendant une heure par un appareil d un W (qui consomme donc 1 J par seconde, soit 3600 J par heure). Des formules permettent de convertir ces unités en Joules. Nom kilowatt heure électron-volt tonne équivalent pétrole calorie grande calorie Abréviation kwh ev tep cal Cal équivalent en J 3, J 1, J 42 GJ 4,182 J 4182 J 8

2 A1.b - LES DIFFERENTES FORMES D ENERGIE L'énergie est disponible dans la nature sous différentes formes pouvant se convertir d une forme à une autre : 1. L énergie mécanique liée au mouvement. 2. L énergie thermique (chaleur) Exemple : géothermie, combustion, soleil, 3. L énergie électrique engendrée par le déplacement d électrons dans des corps conducteurs. Exemple : Foudre, électricité statique, électricité, 4. L énergie chimique stockée sous la forme de liaisons chimiques, exploitée par les êtres vivants lors de la respiration et des fermentations, ou par combustion dans les moteurs thermiques. Exemple : batterie, pile, explosifs 5. L énergie nucléaire libérée par fission ou fusion de noyaux d'atomes 6. L énergie lumineuse (rayonnement) A1.c - CONSERVATION DE L ENERGIE «Rien ne se perd, rien ne se créé» Lavoisier, Les différentes formes d énergie ont une caractéristique commune. Elles ne peuvent ni être créées, ni être détruites : elles ne peuvent que se transformer ou se convertir. C est le principe de CONSERVATION DE L ENERGIE. Nos appareils qui «produisent» ou qui «consomment» de l'énergie sont en fait des convertisseurs d'énergie d'une forme à une autre, suivant les besoins. Exemple : schéma de conversion de l énergie dans une ampoule Energie fournie Energies produites ENERGIE LUMINEUSE ENERGIE ELECTRIQUE ENERGIE THERMIQUE La conversion d un type d énergie en un autre induit toujours des pertes énergétiques sous forme d énergie thermique. 9

3 Exemple : on fournit 1000 joules à une ampoule à incandescence. Sachant que ce type d ampoule ne convertit que 5% de l énergie fournie en énergie utile, combien perd on d énergie? Energie perdue : 95% * 1000 = 950 Joules. La perte est de 950 joules. i. Loi de conservation de l énergie Dans les énergies produites, on distingue donc l ENERGIE PRODUITE UTILE (EPU) et l ENERGIE PRODUITE PERDUE (Epp). Exemple : schéma de conversion de l énergie dans une ampoule Energie fournie Energies produites ENERGIE ELECTRIQUE ENERGIE LUMINEUSE ENERGIE PRODUITE UTILE ENERGIE THERMIQUE ENERGIE PRODUITE PERDUE Aucune énergie ne pouvant être perdue lors d une CONVERSION ENERGETIQUE, la somme des énergies produites équivaut l énergie fournie. E F = EPU + EPP ii. Chaîne énergétique L'ensemble des conversions d'énergie qui ont lieu dans un dispositif peut être représenté par une chaîne énergétique. Exemple : chaîne énergétique pour une ampoule (lampe de poche) énergie chimique 10

4 iii. Rendement énergétique Pour chaque conversion d énergie, on peut calculer un RENDEMENT ENERGETIQUE, le rapport entre l énergie produite utile et l énergie fournie. R E = E PU E F Le rendement énergétique n a pas d unité. Ce rendement est inférieur à 1 en raison des PERTES THERMIQUES qui ont lieu à chaque conversion énergétique. A1.d - Puissance La PUISSANCE (P) s exprime en WATT (W). C est l'énergie par unité de temps ; la quantité d'énergie consommée en une seconde. Energie, puissance et temps d'utilisation sont liés par la formule suivante : P W = E J t s E J = P W t s Exemple : Pour amener un kg d eau de 25 C à 100 C, il faut fournir une énergie d environ 320 kj. Une plaque de cuisson d une de 1000 W fournit cette énergie en 5min et 20s car P W = E J t s t s = E J P W = = 320 s Une plaque de cuisson fournissant cette énergie en 3min et 20s aurait une puissance de 1600 W car P W = E J t s = = 1600 W

5 A1. Définitions et vocabulaire - RECAPITULATION 12

6 S exercer au BAC Nouvelle-Calédonie - Mars 2014 Question à 6pts Un trottoir électrique à Toulouse Document 1 Le trottoir électrique devant le métro Wilson Comment les piétons vont produire de l'électricité en marchant sur les dalles installées esplanade François Mitterrand à Toulouse et alimenter un réverbère expérimental. Il fallait y penser. En marchant, chaque piéton, à cause de son poids et de son mouvement, produit une énergie qu'on peut récupérer. «Même si la marche produit peu d'énergie récupérable, de l'ordre de 5 W», explique Monsieur X, professeur d'université dans une école supérieure scientifique, à l origine de l'innovation. [ ] Sous la dalle, dans une boîte en métal, un ressort enregistre les oscillations verticales (5 mm) et un alternateur, semblable à une dynamo de vélo, transforme cette énergie. Elle est ensuite stockée dans une batterie qui alimente le réverbère équipé en LEDs, économes en courant. D après wwww.ladepeche.fr, avril 2011 Document 2 Chaîne énergétique du trottoir électrique Lorsque le réverbère est allumé. Ressort Alternateur (I) Mini batterie (II) Réverbère (III) Document 3 A propos de l éclairage a. Le gaspillage énergétique généré par une lampe à incandescence 13

7 b. Lampes économiques contre lampes à incandescence Lampe à incandescence Lampe économique Puissance 60 W 15 W Prix typique en CHF 2 15 Durée de vie en heures Coût d électricité en CHF

8 1. La phrase «même si la marche produit peu d'énergie récupérable, de l'ordre de 5 W» extraite du document 1 est-elle scientifiquement correct? Expliquer. 2. En utilisant les documents ainsi que vos connaissances, répondez aux questions suivantes. Une seule réponse possible. a. La conversion énergie au niveau de l'alternateur I correspond à une conversion : o D'énergie électrique en électrique chimique. o D'énergie mécanique en énergie électrique. o D'énergie chimique en énergie électrique. o D'énergie électrique en énergie rayonnante. b. L'énergie est stockée dans la mini batterie II sous forme : o D'énergie mécanique o D'énergie chimique o D'énergie électrique o D'énergie rayonnante c. La conversion d'énergie au niveau du réverbère III correspond à une conversion : o D'énergie rayonnante en énergie électrique. o D'énergie mécanique en énergie électrique. o Énergie chimique en énergie électrique. o D'énergie électrique en énergie rayonnante. d. L'énergie au niveau du réverbère III est dégradée sous forme : o d'énergie mécanique o d'énergie thermique o d'énergie électrique o d'énergie rayonnante 3. Depuis juin 2010, les lampes à incandescence de 60W sont retirées du marché. Citer deux arguments scientifiques pour expliquer cette interdiction. Déterminer la valeur de l'énergie consommée par la lampe à incandescence pendant une journée. 15